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摘要：本文首先叙述了快速直流断路器的技术要求和研制难点，从空气式直流断路器、直流固态断路器两种技术途径，分别介绍了其工作原理、优缺点和典型研究成果，最后指出了快速直流断路器研发中需要重点关注的问题。
关键词：直流；直流断路器；固态断路器；研发现状
1快速直流断路器技术要求与研制难点
1）合闸状态下，承载工作电流，满足温升和绝缘指标；2）分闸状态下，提供可靠的隔离断口，满足绝缘要求；3）接到分、合闸指令，可靠地执行分、合闸动作；4）系统故障时，快速限流分断短路电流，分断时间符合系统指标，分断过电压不超过系统绝缘的限定。快速直流断路器研制的难点之一在于直流电力系统中电流不存在自然过零点，必须采用特殊的方法制造出电流零点。另一方面，由于直流短路电流上升快、峰值高，断路器必须在数ms的时间内完成分断任务，才能满足直流电力系统限流分断的保护需要。断路器分断过程通常包括故障检测、逻辑判断与脱扣、机构分闸（或固态开关触发）过电压建立与能量吸收耗散等多个环节。快速直流断路器必须尽可能地减少各个环节的耗时，将全分断时间压缩在几ms内，且短时间内完成大量的系统储能吸收耗散，研制难度非常大。
2快速直流断路器研究现状
2.1空气式直流断路器
空气式直流断路器是以交流断路器灭弧技术为基础变革而来，主要包括脱扣系统、触头系统、操作机构和灭弧罩四大部分。脱扣系统的功能是故障发生时完成检测与脱扣，保证断路器可靠分闸；触头系统的功能是长时间承载额定电流、短时承受过载和故障电流，在分断过程中促进电弧弧根的转移、跳变；操作机构的功能是实现断路器的分合闸动作，保证触头系统的分合闸速度要求，利于电弧运动与转移，提供合闸保持力，保证触头系统的动热稳定性；灭弧罩的功能是拉伸、切割、冷却电弧，建立电弧电压，限制短路电流上升，实现分断任务。短路发生后（t0），空气式直流断路器首先经历脱扣器脱扣耗时、机构机械延时，而后触头分离（t1），通过磁吹或气吹等手段将触头间的电弧引入灭弧罩内，进行切割、强烈的冷却、去游离，建立起与电源电压相反的电弧电压；当电弧电压大于电源电压时，短路电流开始下降（t2），电弧持续燃烧一段时间（t1—t3），直至电流下降到零，断路器两端电压等于系统电压，分断过程结束（t3），如图1所示。快速空气式直流断路器关键技术有：快速检测脱扣技术、高速分闸技术、电弧快速转移与电弧电压建压技术等。
空气式直流断路器的优点是技术成熟，应用经验丰富，但存在分闸时间长、限流效果差；分断时触头及灭弧栅烧蚀严重，电寿命低，维护保养成本高；额定电压一般不超过5kV，不适用于更高电压等级直流分断等问题。另一方面，空气式直流断路器分断过程中巨大的系统储能只能通过电弧燃烧进行释放，因而需要预留较大的喷弧空间，分断能力也为此受限。空气式直流断路器难以满足中高压、大容量直流电力系统快速性的限流保护需求。
2.2直流固态断路器
直流固态断路器故名思议由电力电子器件（如SCR、IGBT、IGCT、ETO等）作为主控开关，配以测控单元和缓冲吸能组件等共同组成。测控单元利用传感器或器件结电压等自身特性检测、判断系统的运行状态；电流分断任务主要依靠电力电子器件的关断性能（半控型器件晶闸管还需强迫关断回路的配合）；缓冲和吸能组件完成分断过程的过电压限制和能量消耗，保障器件的安全。故障发生后，测控单元迅速向器件发出关断信号，实现关断。电力电子器件微秒量级的分断速度，决定了直流固态断路器具有优异的故障电流限制能力。快速直流固态断路器的关键技术主要有：器件尽限应用、均压、均流、同步驱动和保护等。美国电力电子系统研究中心XuZhenxue等研发了基于ETO4045TA的直流固态断路器样机，额定参数2.5kV/1.5kA，样机采用的ETO额定参数为4.5kV/4kA，基于ETO发射结线性阻抗特性集成了电流检测触发功能，其他配件主要是缓冲电路、冷却系统，样机组成示意和实物如图3所示。文献中进行了过载保护试验，短路电流上升到约750A时，集射结压降超过了动作参考电压，测控电路延时约4μs发出关断信号，关断过程耗时仅5μs，试验波形如图4所示。ABB公司基于反向阻断型IGCT研制了双向直流固态断路器，采用的RB-IGCT直径91mm，额定电压2.5kV，1kA电流通态压降仅0.9V，分断能力达6.8kA。RB-IGCT导通压降低，1kA通流条件下功耗仅1360W，通过良好的空气冷却措施就可以满足通流温升要求，有利于降低断路器体积和成本。文献还对避雷器、散热器等部件的设计进行了仿真分析和试验研究，断路器组成示意和实物如图5所示。美国DTI公司Kempkes等针对船舶电力系统和变换器保护应用开展了基于IGBT的中压直流固态断路器分析和设计，给出了10kV/8MW样机总体方案，如图6所示。文献考虑了器件冗余、拓扑结构、可靠性、耐压、冷却等诸多方面的问题，进行了1万次分断电流1kA等级的可靠性试验，检验了IGBT的电气性能。国内海军工程大学庄劲武等对舰船电力系统进行研究，采用IGBT研制了直流固态断路器样机，重点围绕拓扑结构设计、分断过程分析、试验验证开展了相关工作。中科院等离子所温家良等利用大功率晶闸管设计了双向直流晶闸管开关，用于托卡马克核聚变试验装置。双向开关利用反向电流强迫晶闸管关断，设计参数为通态电流15kA，断态电压2400V，关断时间约2ms。为满足大电流通断的需要，单方向9只器件并联使用。南京航空航天大学穆建国等也提出了基于晶闸管的直流固态断路器拓扑结构，并进行了分断过程的分析。固态断路器的优点是无机械触头系统和运动机构，投切迅速、精确可控、限流能力强，不存在电弧烧蚀，理论上可无限次重复使用，寿命长。然而，与机械开关相比，固态开关却存在通态损耗大、过载能力差、分断能力有限、价格高等缺点，制约了其工程化应用。目前，单只全控器件电压等级不超过10kV，分断能力不超过10kA，高电压、大容量等级应用时，只能采用多只串并联，断路器通态损耗和可靠性问题凸显。固态断路器更适用于中低压、小电流直流系统限流保护场合。
结论
直流电网的蓬勃发展对快速直流断路器提出了更高的需求。从文中所述快速直流断路器工作原理和研究现状来看，不同的快速直流分断技术各具优缺点，混合型直流分断技术具有一定的发展潜力。直流分断技术产品化过程中，追求高可靠性指标下的低成本实现，从而决定了不同应用背景下技术方案的选择。快速直流分断技术应着重针对以下几方面加强机理研究与关键技术攻关：1）开展典型直流电力系统短路故障研究，分析不同故障类型下系统保护策略对保护设备动作特性的要求，为快速直流断路器研发提供详尽的短路电流波形、分断时间、绝缘配合等设计输入，为指导设备开发和标准制定奠定基础；2）攻克直流断路器关键器部件研制，努力提高其性能稳定性与可靠性。例如，进一步压缩高速驱动机构的分闸时间及其分散性，提高机构机械寿命；加强电力电子器件串并联应用时均压、均流与触发技术研究，探究器件尽限应用的边界；深入开展短燃弧时间条件下，真空开关电弧引燃特性及强迫换流分断过程形态演化规律、分断特性等机理与试验研究，研发直流专用灭弧室。3）开展直流断路器试验方法与条件建设研究，为快速直流断路器研发提供条件保障。同时，注重直流断路器应用示范工程的经验积累，为断路器持续优化设计和规范制定提供依据。
参考文献：
[1]张娜.直流电“复仇”[J].能源，2013（1）：40-47.